А б в г. Рисунок 9 - Система TN-C в нормальном режиме

Рисунок 9 - Система TN-C в нормальном режиме

При касании человека к проводу 1-й фазы через его тело потечет ток.

Напряжение 1-й фазы делится между двумя резисторами и пропорционально их сопротивлениям (см. рис. 9 в).

Как отмечалось выше, при уменьшении сопротивления между проводом фазы и землей, «земля» на векторной диаграмме сместится в направлении вектора данной фазы. В данном случае «земля» сместится вдоль вектора (см. рис. 9 г).

Ток, протекающий через тело человека, равен

. (10)

Сопротивлением заземления нейтрали в данном случае можно пренебречь, т. к. .

Подставив в формулу (10) реальные числовые значения, получим

.

Полученное значение превышает пороговый фибрилляционный ток. Т. е. данная ситуация для человека смертельно опасна! Однако фибрилляция наступает не всегда. Это объясняется двумя причинами:

- протекание тока не всегда приходится на фазу «Т» кардиоцикла (человек может успеть разорвать цепь до ее наступления);

- сопротивление тела человека в реальных ситуациях часто превышает 1000 Ом, хотя в теоретических расчетах принимается таким.

2.3.6 Анализ опасности 3-фазной 4-проводной сети переменного тока напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью (системы TN-C, TN-S, TN-C-S) при глухом замыкании на землю

На рис. 10 показаны: полная электрическая схема системы TN-C (а), ее упрощенная (эквивалентная) электрическая схема (в) и векторная диаграмма напряжений после касания человека к проводу 1-й фазы и глухого замыкания фазы 2 на землю. Последнее условие означает, что сеть находится в аварийном режиме.

А б в

Рисунок 10 – Система TN-C в аварийном режиме

Ток фазы 2 протекает через фазный провод, сопротивление замыкания , землю, сопротивление заземления нейтрали , нейтраль и обмотку трансформатора, которая является источником напряжения в данной цепи.

Напряжение фазы 2 делится на две величины пропорционально сопротивлениям и (см. рис. 10. б)

. (11)

Отложим их на векторной диаграмме (см. рис. 10. в). «Земля» находится между ними. Напряжение прикосновения может быть рассчитано

. (12)

Переходя от векторной формы к скалярной, получим

. (13)

Если принять, что (), то . Напряжение прикосновения будет равно линейному напряжению

. (14)

Если принять, что , то . В этом случае человек окажется под фазным напряжением

. (15)

В действительности сопротивления и никогда не равны нулю. Поэтому реальное значение напряжения прикосновения больше фазного, но меньше линейного значения

. (16)

На основании сказанного можно сделать следующие выводы:

- ток через тело человека не зависит от емкостей фаз и токов утечки фаз на землю (при условии, что их комплексные сопротивления намного больше сопротивления заземления);

- прикосновение к фазе в аварийном режиме сети более опасно, чем в нормальном;

- при касании человека к фазе в аварийном режиме он оказывается под меньшим напряжение, чем в сети с изолированной нейтралью;

- в целях безопасности необходимо, чтобы сопротивление заземления было минимальным и никогда не превышало допустимого значения. Для этого необходим его периодический контроль и профилактика.

33. Вибір режиму нейтрали мережі.

При создании новых предприятий, внедрении новых технологических процессов и организации новых производственных участков встает вопрос о том, какую электросеть лучше использовать. Рассмотрим два наиболее распространенных вида 3-фазных электросетей, уже знакомых нам из предыдущих параграфов: 3-фазную 3-проводную с изолированной нейтралью (система IT) и 3-фазную 4-проводную с глухо-заземленной нейтралью (система TN-C).

При выборе сети и режима нейтрали, исходят из технологических соображений и соображений безопасности.

С точки зрения технологических соображений наиболее удобной является 3-фазная 4-проводная сеть с глухо-заземленной нейтралью, так как она дает потребителю два вида напряжения: фазное и линейное. Обычно мощное технологическое оборудование включают на линейное (более высокое) напряжение. Менее мощное оборудование, электроприборы, электрифицированный инструмент включают на фазное напряжение. Менее удобной является 3-фазная 3-проводная с изолированной нейтралью. Так как дает потребителю лишь линейное напряжение.

Из соображений безопасности оценим значения токов, протекающие через тело человека, в обоих видах сетей. Обе сети рассмотрим в двух режимах: нормальном и аварийном.

.

А б

Рисунок 11- Система IT в нормальном (а) и аварийном (б) режимах

Как отмечалось раньше, безопасность человека в 3-фазной 3-проводнаой сети с изолированной нейтралью определяется главным образом состоянием ее изоляции. В общем случае - не только активным, но и емкостным сопротивлением между проводами и землей (см. рис. 12 а).

В 3-фазной 4-проводной сети с глухо-заземленной нейтралью безопасность человека в меньшей степени зависит от состояния изоляции (см. рис. 12 б).

;

А б

Рисунок 12 - Система TN-C в нормальном (а) и аварийном (б) режимах

Сравнивая токи через тело человека для сетей в одинаковых режимах, приходим к выводу, что в нормальном режиме, когда сети исправны, более безопасна 3-фазная 3-проводная сеть с изолированной нейтралью (на схеме обозначена знаком «»). В аварийном режиме более безопасна 3-фазная 4-проводная сеть с глухозаземленной нейтралью, т. к. напряжение прикосновения на практике всегда ниже линейного.

Возникло противоречие. Для его разрешения рассматривают условия, в которых предполагается использовать сеть. Решение принимают в пользу той сети, которая окажется более безопасной в конкретных условиях.

Если требуется короткая сеть (десятки метров), не разветвленная, а следовательно, имеющая малое активное и емкостное сопротивление относительно земли; открытая сеть (легко доступная для визуального осмотра), применяют 3-фазную 3-проводную с изолированной нейтралью. На практике такие сети используются на открытых технологических площадках, на подвижных объектах, при проведении временных и горных работ.

Если требуется сеть большей длины, разветвленная, а следовательно, имеющая большое активное и емкостное сопротивление с землей; сеть, скрытая штукатуркой или другими элементами здания, применяют 3-фазную 4-проводную сеть с глухозаземленной нейтралью. На практике такие сети используют на стационарных объектах (в зданиях промышленных предприятий, учреждений, организаций, жилых домах городской и сельской местности и т. д.).

34. Явища, що виникають при стіканні струму в землю крізь одиночний заземлювач. Рівняння потенційної кривої.

Растекание тока на землю представляет для человека опасность поражения электротоком. Она вызвана тем, что человек может оказаться под напряжением прикосновения или напряжением шага. Для оценки этой опасности рассмотрим закон распределения потенциалов на поверхности грунта на примере полусферического заземлителя (см. рис. 5).

На практике полусферический заземлитель не используется, так как для его изготовления потребовалось бы слишком много металла и большой объем земляной работы. Он будет рассмотрен нами лишь условно (гипотетически), что позволит получить простое с математической точки зрения и достаточно точное представление о процессе растекания тока в грунте.

Рисунок 5 - Растекание тока (сверху) и закон распределения потенциалов (снизу) на поверхности грунта

Так как форма заземлителя полусферическая и грунт однородный, то ток растекается во всех направлениях равномерно. Выделим на расстоянии х от оси заземлителя элементарный слой толщиной dx в форме полусферы. Плотность тока в каждой его точке равна

, (6)

где - ток замыкания на землю.

Запишем закон Ома в дифференциальной форме:

, (7)

где Е - напряженность электрического поля в точке слоя; - удельное электрическое сопротивление грунта ().

Приравняв уравнения (1) и (2), получим

. (8)

Падение напряжение на элементарном слое dx будет равно

. (9)

Для того, чтобы определить потенциал любой точки на поверхности грунта, нужно проинтегрировать выражение (4):

,

где .

Таким образом получено уравнение гиперболы. Так как x не может быть меньше r, максимальное значение потенциала имеют точки грунта, соприкасающиеся с поверхностью заземлителя:

.

Можно записать так:

. (10)

По мере удаления от заземлителя потенциал точек на поверхности грунта убывает по гиперболическому закону. Область грунта вблизи заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем растекания тока (локальной землей). Для реальных грунтов поле растекания находится в радиусе 20 м.

Область грунта, потенциал которой равен нулю, называетсяэлектротехнической землей (относительной землей).

На практике применяются заземлители иной формы (преимущественно вертикальные или горизонтальные стержни), создающие на поверхности грунта иные законы распределения потенциалов. Однако эти законы по мере удаления от заземлителя также стремятся к гиперболическому. Использовав

полусферическую модель заземлителя, мы существенно упростили математические действия и при этом получили достаточно точный результат.

35. Дайте визначення поняття «зона розтікання струму». Розгляньте напругу дотику.

Напряжение прикосновения - есть разность потенциалов двух точек

электрической цепи, которых одновременно касается человек. Согласно закону Ома напряжение прикосновения равно

. (13)

Рассмотрим напряжение прикосновения при растекании тока через

одиночный заземлитель (см. рис. 7).

Рисунок 7 - Расположение рабочих мест (а) и зависимость напряжения прикосновения от расстояния до заземлителя (б)

Имеется несколько (три) рабочих мест с оборудованием, подключенным к одной сети и заземленным с помощью одного заземлителя. На одном из рабочих мест (не имеет значения, на каком именно) напряжение сети замкнуто на корпус. Через заземлитель происходит замыкание на землю.

Люди соприкасаются руками с корпусами оборудования. Следовательно их руки имеют потенциал . Их ноги имеют соответствующий потенциал земли , который убывает по мере удаления от заземлителя по гиперболическому закону.

При одиночном полусферическом заземлителе напряжение прикосновения равно

, (14)

где - коэффициент напряжения прикосновения (0…1).

Для других типов заземлителей это выражение является справочным и также принимает значения (0…1).

Согласно ГОСТ 12.1 038-82 нормируется напряжение прикосновения в зависимости от времени воздействия на человека (см. рис. 8). Чем дольше протекает ток, тем выше опасность поражения. Следовательно, с увеличением длительности воздействия допустимое напряжение уменьшается. Эта зависимость лежит в основе требований, предъявляемых к различным средствам защиты от поражения электротоком (зануление, заземление, УЗО).

Рисунок 8 - Зависимость допустимого напряжения прикосновения от времени воздействия на человека

Для снижения напряжения прикосновения применяют контурные заземлители, диэлектрическую обувь, диэлектрические коврики, щиты, перчатки и инструмент с изолированными рукоятками.

36. Розгляньте напругу кроку. Вирівнювання потенціалів.

Напряжение шага -есть разность потенциаловдвух точек на поверхности земли в зоне растекания тока, находящихся на расстоянии шага а и на которые одновременно опирается человек. Стандартным значением шага принято считать 1 м. Согласно закону Ома величина напряжения шага равна

. (11)

Рассмотрим напряжение шага при растекании тока через одиночный полусферический заземлитель (см. рис.6).

Рисунок 6 - Распределение потенциалов на поверхности грунта и напряжение шага

Из рис. 6 видно, что напряжение шага увеличивается при приближении к заземлителю. С учетом выражения (5) напряжение шага будет равно:

, (12)

где - коэффициент напряжения шага для одиночного полусферического заземлителя. Его значение находится в пределах (0…1).

На практике используют различные типы заземлителей: одиночный протяженный (горизонтальный); ряд вертикальных стержней, соединенных горизонтальной полосой; контур из полос с внутренними параллельными полосами; групповой контурный из полос и стержней и др. Функция для каждого известного типа заземлителя является справочной и принимает значения (0…1).

При проектировании и эксплуатации заземлителей необходимо, чтобы выполнялось условие В (ГОСТ 12.1 038-82).

Для снижения напряжения шага применяют диэлектрическую обувь, диэлектрические коврики и щиты. Выходить из зоны растекания тока нужно в противоположном направлении от места растекания мелкими шагами.